Wat is een kwantum computer?

Laten we beginnen met het woord: Kwantum. Kwantum is een woord dat aangeeft dat iets gekwantiseerd is. Toen de kwantum mechanica voor het eerst beschreven werd, was dat na de vondst dat elektronen zich in gekwantificeerde banen om het atoom bewegen. Deze opmerkelijke constantering was iets wat fysici destijds niet begrepen, maar ze gaven het wel een naam; de kwantum mechanica.

Wat is kwantummechanica?

De kwantummechanica heeft veel wenbkrauwen doen fronsen in de loop der jaren, en menig beginnend natuurkundige heeft er veel moeite mee tijdens zijn opleiding. De theorie voorspelt namelijk fenomenen die tegen je gezonde verstand in gaan, maar perfect over een blijken te komen met de realiteit.

Het principe van superpositie

Deze theorie voorspelt onder andere het feit dat een deeltje op een fundamenteel niveau in twee staten tegelijkertijd kan zijn. Een zogenaamde superpositie. Een populair voorbeeld is de kat van Shrodinger. Shrodingen stopte zijn kat in een doos met een vergiftigd visje en sloot de doos. Volgens de kwantummechanische theorie is de kat dood en levend tegelijk, totdat je de doos opent en kijkt of de kat dood of levend is. Aangezien je voordat je doos opent, niet weet of de kat dood of levend is beschrijft de kwantummechanica dit systeem dus als dood en levend. Best gek he?

Image result for schrodinger cat fish

Dit principe van de superpositie kan gebruikt worden in computers, en dat is waar de revolutie van de kwantum computers vandaan komt. Normale computers werken met bits. Bits zijn altijd in of de 0-staat of de 1-staat. Je voelt hem al aankomen, kwantum computers gebruiken kwantum bits, ook wel qubits genoemd. Zij kunnen in een superpositie zijn van 0 en 1! Dit zorgt ervoor dat je veel meer mogelijkheden hebt.

Neem bijvoorbeeld  5 normale bits; je hebt dan op elke moment in tijd maar 1 bepaalde volgorde waarin de bits zich bevinden, bijvoorbeeld 10101. 5 qubits kunnen tegelijkertijd een 1 en een 0 zijn, dat betekent dat ze alle mogelijkheden tegelijkertijd aannemen, dat zijn in het geval van de 5 qubits, 2 tot de macht 5 mogelijkheden, dat zijn er 32! Dit neemt exponentieel toe.

Het principe van verbondenheid

De theorie voorspelt ook dat fundamentele delen van de natuur aan elkaar gelinkt zijn. Hierdoor kunnen individuele qubits niet los van elkaar beschreven worden en het meten of manipuleren van de ene qubit, vertelt mij iets over de andere qubit. Dit is ook fundamenteel anders.

Waarom hebben we dit nodig?

Normale computers kunnen veel, maar kunnen ook veel niet. Optimalisatie vraagstukken of scheikundige simulaties kunnen praktisch niet gedaan worden met normale computers. Daarvoor zijn er te veel variabelen die exponentieel groeien naarmate het probleem moeilijker wordt.

Kwantum logica poorten & manipulatie

Een systeem met qubits kan dus in veel verschillende toestanden tegelijkertijd komen, die gebruikt kunnen worden om dingen door te rekenen. Hiervoor gebruikt met de fase van de qubit, een andere eigenschap. De fase is als het ware de mate waarin een qubit 0 of 1 is. Als je een normaal bit inbeeldt als omhoog en omlaag, de 0 en de 1, dan kan je de qubit als een bol voorstellen. Elke mogelijkheden van omlaag en omhoog kan voorkomen. De mate van kanteling noemt men dan de fase.

Image result for qubit up down

Kwantum meetkunde

Tijdens het meten van de qubits, die in superpositie zijn valt de superpositie weg en neemt het systeem 1 waarde aan. Deze waarde wordt bepaalde door de kansverdeling waarin het systeem zich kan bevinden. Dit proces kan je meerdere malen herhalen, tot dat je zeker bent van je antwoord.

Kwantum algoritmes

Kwantum algoritmes zijn niet vaak deterministisch. Zij geven de uitkomst, met de kans dat die uitkomst juist is.

Hoe ver is deze ontwikkeling al?

Veel bedrijven en universiteiten zijn hard bezig om een quantum computer te maken met veel qubits. Dit doen ze met verschillende technieken, en sommigen maken al aardig wat vooruitgang. Hier wat voorbeelden:

Kunstmatige atomen met supergeleidende Josephson junctions, die gemanipuleerd worden met microgolven.

 

Natuurlijk gebeuren er ook fouten tijdens het maken van kwantum berekeningen. Een hele belangrijke factor is daarom ook de fout tolerantie van de qubits. Het is daarom niet alleen belangrijk om heel veel qubits in je systeem te krijgen maar ook dat er weinig fouten voorkomen.

Belangrijke aspecten zijn:

Quantum cohererntie; hoeveel berekening kan je doen voordat je je informatie verliest.